第一章高频电子线路绪论

《高频电子线路》武汉工程大学电气信息学院2016年9月主讲：郑宽磊电话材：熊俊俏主编.高频电子线路，人民邮电出版社，2013.8参考教材：1、Completewirelessdesign:CotterW.Sayre（无线通信电路设计分析与仿真：郭洁等译），电子工业出版社2、张肃文.高频电子线路，高等教育出版社3、曾兴雯.高频电路原理与分析，等教育出版社主要内容第一章绪论第二章高频电路基础第三章选频回路第四章高频放大电路第五章正弦波振荡器与频率合成技术第六章线性频谱搬移第七章角度调制与解调第八章高频辅助电路第九章无线通信系统设计与测试1.1无线通信系统概述

1.2无线信道的特性

1.3无线电通信系统原理

1.4现代无线电通信新技术

1.5本课程的特点与学习方法主要内容2、高频电子线路在专业培养计划中的位置引子：1、高频电子线路与模拟电子技术课程的关系3、高频电子线路的研究内容4、高频电子线路与素质培养1.1无线通信系统概述1.1.1无线通信技术的发展历程古代：烽火狼烟、飞鸽传信、驿马快递1837年莫尔斯发明了电报，创造了莫尔斯码，开创了通信的新纪元1864年英国物理学家麦克斯韦发表的“电磁场的动力理论”为无线电发展奠定了坚实的理论基础。1876年贝尔发明了电话，将语音信号转换为电能传送沿导线传送。1887年，德国的赫兹以卓越的实验技巧证实了电磁波是客观存在的。1895年马可尼首次在几百米的距离实现电磁波通信，1901年首次完成横渡大西洋的通信。

1.1无线通信系统概述1904年，弗莱明发明电子二极管，标志着进入无线电电子学时代。1906年：美国物理学家费森登成功地研制了无线电广播：1907年：美国物理学家德福莱斯特发明了真空三极管，是电子技术发展史上第一个重要里程碑。以此构建了无线电通信重要的功能电路，如放大器、振荡器、变频器、调制器、检波器、波形变换等，加快了无线电通信技术的发展。1948年，美国肖克利等人发明了晶体三极管,是电子技术发展史上第二个重要里程碑。20世纪60年代，中、大规模乃至超大规模集成电路的不断涌现，是电子技术发展史上第三个重要里程碑。1.1.2无线电通信系统的组成图1-1典型无线电通信系统的基本组成信源、调制器、发信机、信道、收信机、解调器和信宿七部分1.1无线通信系统概述1.1.3无线电通信系统的类型(1)根据工作频率的不同，分为长波通信、中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信。如中波广播为(535～1605k)Hz，调频广播为(88～108M)Hz，目前载波频率最高已经达到40GHz。所谓工作频率，主要指发射与接收的射频（RF）频率。射频实际上就是“高频”的广义语，它是指适合无线电发射和传播的频率。无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。1.1无线通信系统概述1.1.3无线电通信系统的类型(2)根据信号传递方向，分为单工、半双工通信和全双工通信三类。单工方式：只发射或只接收（如电报、广播）半双工方式：可接收也可发射，但不能同时收发全双工方式：可同时接收和发射1.1无线通信系统概述(3)根据调制方式，分为未调制的基带传输系统和调制的频带传输系统。

基带传输系统：传输距离短，频带利用率低，一般应用于简单的短距离数据传输。

频带传输系统：调幅、调频和调相。

调幅（AM）：如中、短波收音机的调制模式；

调频（FM）：如调频广播；

调相（PM）：用于数字通信

混合调制：如全电视信号，其语音信号采用调频方式，图像信号采用调幅方式。1.1无线通信系统概述1.1.3无线电通信系统的类型▲模拟调制（AnalogModulation)

●调幅：

AM调幅（AmplitudeModulation，缩写为AM)

双边带调幅(DoublesidebandAM，缩写为DSB)

单边带调幅(SingleSideBandAM，缩写为SSB)

残留单边带调幅(VestigialSingleSideBandAM，缩写VSB)

●调角：

调频（FrequencyModulation，缩写FM)

调相（PhaseModulation，缩写PM）

●混合调制1.1无线通信系统概述1.1.3无线电通信系统的类型▲数字调制(DigitalModulation)

●移相键控(PhaseShiftKeying，简称PSK)

●移频键控(FrequencyShiftKeying，简称FSK)

●振幅键控（AmplitudeShiftKeying，简称ASK1.1无线通信系统概述1.1.3无线电通信系统的类型(4)根据传输的消息类型，分为模拟通信和数字通信，具体的可分为语音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。

但无论是模拟还是数字通信系统，其功率放大、发射和接收端(俗称射频前端)仍采用模拟电路实现。从电路上看，现代数字通信系统实际上是数模混合的通信系统。本书将以模拟通信为重点来研究这些基本电路,认识其规律。这些电路和规律完全可以推广应用到其它类型的通信系统1.1无线通信系统概述1.1.3无线电通信系统的类型1.1.4无线通信系统的指标(1)有效性：“速率”问题，即通信容量。(2)可靠性：“质量”问题，失真度、误码率和抗干扰能力。(3)保密性：加密处理，如军用系统、个人通信系统。(4)标准性：接口、结构及协议是否合乎国家、国际标准。无线模拟通信系统：系统频带利用率、输出信噪比无线数字通信系统：误码率、传输速率

传输距离---发送功率、接收机的灵敏度、传输信道的衰减与干扰、噪声等。

通信容量：与调制解调方式、已调波信号的带宽、信道状况及复用方式等有关。1.1无线通信系统概述1.2无线信道的特性无线信道：传输无线电信号的媒介，即通常所说的无线电波，是以空间作为传输介质的信号传送通道。无线电传播方式：地波传播、空间波传播和天波传播。有线信道：双绞线(如电话线)、同轴电缆(如有线电视网络)和光纤(光纤通信)等；信道：有线信道和无线信道两大类。

双线对电缆（双绞线电缆）同轴电缆光纤（包括视线中继、波导管传输）无线通信地波天波地面波空间波有线通信地球电离层空间波地面波天波1.2无线信道的特性图1-2无线电波的主要传播方式1.2无线信道的特性1.2.1无线电频段的划分在自由空间中，电磁波以光速传输，其频谱很宽，从低频(几Hz)到宇宙射线(1025Hz)。按频率大小来分，依次为宇宙射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波。按频率或波长对无线电波进行分段，称为频段或波段。不同频段或波段的无线电波，其传播方式、发送和接收方法、以及应用范围也是不同的1.2无线信道的特性波段名称波长范围频率范围频段名称传播方式应用范围极长波107～108m3～30Hz极低频(ELF)双线、地波潜艇通信超长波106～107m30～300Hz超低频(SLF)双线、地波潜艇通信特长波105～106m300～3

000Hz特低频(ULF)双线、地波矿山勘探、地震甚长波104～105m3～30kHz甚低频(VLF)双线、地波潜艇通信、地球物理勘探1.2无线信道的特性1.2.1无线电频段的划分长波(LW)103～104m30～300kHz低频(LF)地波远距离通信、水上移动中波(MW)102～103m0.3～3MHz中频(MF)地波、天波广播、通信、导航短波(SW)10～100m3～30MHz高频(HF)天波、地波广播、通信超短波(VSW)1～10m30～300MHz甚高频(VHF)直线传播、对流层散射通信、广播、电视1.2无线信道的特性1.2.1无线电频段的划分微波分米波(USW)10～100cm0.3～3GHz特高频(ΜHF)直线传播、散射传播蓝牙电视广播、手机厘米波(SSW)1～10cm3～30GHz超高频(SHF)直线传播中继和卫星通信毫米波(ESW)1～10mm30～300GHz极高频(EHF)直线传播气象雷达、射电天文丝米波1～0.1mm300～3

000GHz至高频直线传播气象雷达、空间通信1.2无线信道的特性1.2.1无线电频段的划分1.2.2高频信道的特点对流层：地面上空的（10～12）km处，空气密度大。传播方式：大气折射、波导传播、对流层散射、多径传播、大气吸收，以及水汽凝结体和其他大气微粒的吸收和散射等。传播范围：视距传播、超视距传播和地-空传播等；其中，超视距传播为对流层散射传播优点：传输容量、传输性能和可靠度适中，强抗核爆能力。1.2无线信道的特性平流层：在对流层的上面，直到大约50km高的这一层；特点：平流层里的空气稀薄，电磁波直线传输，较少受到衰落或干扰，可用作高空信息平台，实现天地空一体化综合信息系统。1.2无线信道的特性1.2.2高频信道的特点电离层：从地面以上大约50km-1

000km；特点：电离层同时具有吸收和反射无线电波的能力。

中、长波段的无线电波在白天几乎全部被电离层吸收

微波段的无线电波，直接穿透电离层射向太空

短波段的无线电波，由电离层反射回地面。缺点：电离层具有多变的特性，其高度、厚度和电子密度等，会随昼夜、季节、纬度的变化而变化，同时电离层还会受太阳“黑子”活动、太阳表面“耀斑”、紫外线辐射等的骚扰。1.2无线信道的特性1.2.2高频信道的特点1.2.3移动信道的特点移动通信频段：分米波段，即特高频段，电磁波的传播方式为直射传播或反射。缺点：多径传输，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，形成幅度衰落。

不同的信道时延，导致接收信号的波形被展宽，称为时延扩展，从而导致接收信号的频率选择性衰落。

移动台的运动会产生多普勒频移，并由此引起衰落过程的频率扩散，称为时间选择性衰落。

衰落信道分为瑞利信道(RayleighChannel)和莱斯信道(RiceChannel)。1.2无线信道的特性

由天线理论可知，要将无线电信号有效地发射出去，天线的尺寸必须和电信号的波长相比拟。(最佳天线长度为波长的1/4λ)原始的非电量信息经转换的原始电信号一般是低频信号，波长很长。如音频频率为20Hz-20kHz，对应波长为15-15000km，要制造如此巨大的天线是不现实的。即使有这样巨大的天线，由于各发射台均为同一频段的低频信号，在信道中会互相重叠、干扰，接收机也无法区分。1.3无线电通信系统原理无线通信系统为何需要调制【采用高频(射频)】？？

因此，必须采用几百kHz以上的高频振荡信号作为载体，将低频信号与高频信号调制，然后经天线发射出去。接收端再对信号进行解调。调制以后，由于传送的是高频振荡信号，天线的尺寸就可大大下降。同时不同的发射台采用不同的高频振荡信号作为载波，频谱上就互相区分开了，接收机才能任意选择所需电台信号抑制不需要的电台和干扰。射频频率越宽，可利用的频带宽度就越宽，可容纳更多互不干扰的信道，从而实现频分复用或频分多址。1.3无线电通信系统原理1.3.1调制与波形1．调幅信号振幅调制：利用基带信号控制载波信号的幅度变化，调幅波的包络(即振幅)是变化的，且与基带调制信号的变化规律一致。1.3无线电通信系统原理所谓调制,就是用调制信号去控制高频载波的参数,使载波信号的某一个或几个参数（振幅、频率或相位）按照调制信号的规律变化。1.3.1调制与波形2．调频信号频率调制，是利用基带信号控制载波信号的频率变化，因此其瞬时频率按照基带调制信号的变化规律而变化1.3无线电通信系统原理3．调相信号相位调制，是利用基带信号控制载波信号的相位变化，其瞬时相位与基带调制信号的变化规律一致。1.3无线电通信系统原理1.3.1调制与波形1.3无线电通信系统原理高频电路中的几种信号▲基带(消息)信号：就是没有进行调制之前的原始信号,也称调制信号,如语音、图像等。▲高频载波信号：一种高频正弦信号。▲已调波：已被基带信号调制过的高频载波信号1.3.2无线电信号的发送图1-6调幅发射机的框图1.3无线电通信系统原理1.3.3无线电信号的接收图1-7超外差式接收机框图1.3无线电通信系统原理接收设备由：天线、高频放大器、混频器、中频放大器、解调器、音频放大器、扬声器等组成。由天线接收来的信号，经放大后，再经过混频器，变成一中频已调波，然后检波，恢复出原来的信息，经低频功率放大后，推动扬声器。无线广播通信系统的基本组成框图音频放大调制器变频器激励放大输出放大载波振荡器音频放大器解调